急倾斜煤层矸石充填采场围岩运移规律数值模拟分析

吕文玉，曹文杰，高梓轩，于健浩，杜旭峰

(1.西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.天地科技股份有限公司，北京 100013)

充填采煤技术不仅可以控制岩层移动和地表沉陷、提高“三下”压煤资源回收率和解决矸石排放问题，还能有效抑制煤层及顶底板动力现象，有利于提高“支架-围岩”系统稳定性，该技术正逐渐成为我国煤炭资源绿色开采的核心技术之一[1-3]。对于急倾斜煤层(煤层倾角大于45°)，由于其煤层倾角较大，可采用较为经济的矸石充填开采方法，使用充填开采方法虽然会增加吨煤成本，但工作面后方不再是一个无支护的采空区，采场形成了一个“工作面煤体-支护系统-采空区充填体”动态作业空间，由于矸石充填体的加入，采场围岩的应力状态，由双向变成三向，采场围岩的强度得到加强，增加了其稳定性[4-7]。本文采用数值模拟方法，对急倾斜煤层围岩运移规律展开研究。

1 围岩运移影响因素分析

在急倾斜煤层采用矸石充填时，不同煤层倾角、埋深、充填率和充填体强度等情况下围岩的运移规律也会发生改变，分别对各因素进行分析。

1)煤层倾角：对于急倾斜煤层，由于其角度满足矸石自溜的要求，垮落顶板矸石向采空区下部区域滑移，形成下部充填压实、中部松散充填、上部悬空的非均衡充填效应，沿工作面倾斜方向中上部区域顶板移动变形破坏特征活跃，该范围顶板与支架的接触及施载特征复杂，由于随倾角增加重力切向分力增大而法向分力减小，造成支架受载不均衡且所受的工作载荷变小，甚至出现空载现象，支架倾倒下滑及架间挤、咬现象加剧，造成“支架-围岩”系统的稳定性控制难度增大，容易造成安全事故[8，9]。再者随着煤层倾角的增大，顶板及上覆岩层重力向采空区方向的法向分力不断减小，其移动变形量也随之降低，矸石更易向采空区下部方向滑移堆积，使下部充填体不断受到上部充填的挤压，提高了矸石充填体的压缩率。

2)埋深：随着埋深的增加，煤层开采所受地应力逐渐增大，由于开采扰动，造成矿山压力重新分布。由于原岩应力越大，采动围岩达到新的应力平衡状态所需释放的能量就越大，围岩的稳定性就越差，移动、变形和破坏越剧烈。

3)充填率：随着矸石充填率的增加，改变了原有的采空区形态，采空区空间被进一步压缩，围岩的活动范围降低，顶底板运移模式发生改变，围岩内应力无法得到有效的释放，使其移动、变形和破坏程度降低。矸石充填要尽可能的增加充填率来达到控制围岩移动的目的。由于松散矸石的碎胀特性，造成急倾斜煤层矸石充填采场采空区的充填率相对低于胶结充填。

4)充填体强度：由于煤层开采扰动，上覆岩层发生移动、变形和破坏；充填开采时，由于充填体的加入，并与覆岩接触且形成结构，在二者的共同作用下，覆岩移动变形被控制在合理范围内。充填体要有足够的强度，使得在覆岩载荷作用下，不会发生损坏，从而起到支撑作用。矸石充填体的强度可以通过合理颗粒级配来实现。

2 数值模拟分析

根据以上各影响因素对围岩运移的影响特点，利用UDEC数值模拟软件，构建单影响因素数值计算模型，煤层和顶底板物理力学参数见表1。为了更好的模拟单因素对围岩运移规律的影响，对基准条件进行设置，具体参数见表2。建模时对模型设置3MPa的水平梯度应力，针对不同模型煤层、顶底板的节理密度保持一致，只对倾角进行改变。

表1 煤层和顶底板岩性物理力学参数

表2 模型影响因素基准条件表

2.1 煤层倾角对围岩运移规律影响

2.1.1 围岩移动影响分析

不同急倾斜煤层倾角(50°、65°、80°)条件下围岩水平移动和下沉等值线图如图1、图2所示。从图1、图2中可以看出，随着煤层倾角的增加，底板的移动变形量和扰动范围增加，而顶板的情况正好相反，且影响范围向工作面上部区域偏移。

图1 围岩水平移动等值线图

图2 围岩下沉等值线图

从图1可以看出，当煤层倾角为50°时，顶板岩层的水平最大变形带位于采空区中部，高度为67m，最大变形值约为362mm，破坏高度约为165m，底板岩层基本没有发生大的变形和破坏；随着倾角的增加，顶板最大变形带高度降低明显，最大变形值变化不大，变形破坏范围逐渐减小；当煤层倾角增大到80°时，由于底板所受的切向分力增大，造成底板岩层向采空区侧发生弯曲变形破坏。

从图2中可以看出，随着煤层倾角的增加，顶板出现明显的楔形变形区，围岩最大竖直下沉值减少，减少幅度比水平移动位移值大。

2.2.2 围岩应力影响分析

不同倾角(50°、65°、80°)条件下围岩水平和竖直应力分布图如图3、图4所示。从图3、图4中可以看出，随着煤层倾角的增加，工作面无论是水平应力还是竖直应力均减少，应力集中程度和影响范围降低。

图3 围岩水平应力分布

从图3可以看出，随着煤层倾角的增加，由于矸石充填体的加入，采场中间形成应力恢复区，且面积逐渐减少，而外侧形成的应力降低区的面积增大，由于开采扰动造成的水平应力变化范围减少。

从图4可以看出，随着煤层倾角的增加，由于开采扰动造成的竖直应力变化范围减少，且逐渐向下山方向集中；在顶底板范围内出现竖直应力降低区面积减小；在顶板范围内出现竖直应力增加区面积也逐渐减小，最大竖直应力值和应力集中系数也随之降低。在煤层倾角增大时，矸石充填开采最大应力的下降幅度不大。

2.2 埋深对围岩运移规律影响

2.2.1 围岩移动影响分析

不同埋深(300m、500m、700m)条件下围岩水平位移和下沉等值线图如图5、图6所示。由于随着埋深的增大，地应力逐渐加大，煤层顶底板受开采扰动造成的破坏程度更为严重，且影响范围逐渐增大并扩展至覆岩，围岩的最大竖直位移和水平位移也随之增大。

图5 围岩水平位移等值线

图6 围岩下沉等值线

2.2.2 围岩应力影响分析

不同埋深(300m、500m、700m)条件下围岩水平应力和竖直应力分布如图7、图8所示。随着埋深的增加，围岩最大水平应力和应力集中程度不断加大，且水平应力在上下煤柱的应力集中程度和范围逐渐增加；围岩的竖直应力也逐渐加大，其最大值出现在采空区下部顶板，但受最大应力的扰动范围变化不大。

图7 围岩水平应力分布图

图8 围岩竖直应力分布图

2.3 充填率对围岩运移规律影响

2.3.1 围岩移动影响分析

不同充填率(40%、60%、80%)条件下围岩水平位移等值线图如图9所示，从图9中可以看出，位移等值线在采空区呈现非对称分布，且沿岩层层面分布，底板的位移量远小于顶板。随着充填率的降低(60%～80%)，水平位移量和影响范围增加，但变化不大。当充填率降低为40%时，加大了采空区的顶板悬空面积，造成直接顶发生折断垮落，破坏范围进一步扩大，且向上部扩展，直接影响到上部未采煤柱。

图9 围岩水平位移等值线图

2.3.2 围岩应力影响分析

不同充填率(40%、60%、80%)条件下围岩水平应力分布图如图10所示，由图10可以看出，随着矸石充填率的增加，由于矸石充填体的加入，在采场稳定的过程中，充填体逐渐压实并与顶底板接触起到支撑作用，围岩应力向充填体发生传递，顶底板形成应力恢复区，且应力卸载区逐渐缩小；采空区上下未采煤柱支承压力影响范围和应力集中程度降低；回风平巷顶板处最大水平应力和应力集中系数减少，且应力水平较低，巷道的受力环境得到改善，围岩稳定性增强。

图10 不同充填率围岩水平应力分布图

2.4 充填体强度对围岩运移规律影响

2.4.1 围岩移动影响分析

不同充填体强度(1GPa、0.5GPa、0.1GPa)条件下围岩水平移动和下沉等值线图如图11、图12所示，由图11、图12可以看出，随着充填体强度的增加，岩层移动控制效果明显，围岩的最大变形量也逐渐减小。

图11 围岩水平移动等值线图

2.4.2 围岩应力影响分析

不同充填体强度(1GPa、0.5GPa、0.1GPa)条件下围岩水平应力分布图如图13、图14所示，由图13、图14可以看出，随着充填体强度的增加，充填体支撑围岩，并吸收和转移应力，围岩发生重新自组并达到新的应力平衡状态，且所受的采动扰动程度降低。

图13 围岩水平应力等值线图

图14 围岩竖直应力等值线图

3 结 论

1)针对急倾斜煤层充填开采特点，煤层倾角、埋深、充填率和充填体强度这四个因素可以直接影响到围岩的运移和应力分布规律。

2)随着煤层倾角的增加，底板的移动变形量和扰动范围增加，而顶板移动变形减少，影响范围向采空区上部区域偏移，围岩应力集中程度和影响范围降低；随着埋深的增加，煤层顶底板受开采扰动造成的破坏程度更为严重，围岩的最大位移量、最大应力和应力集中程度随之升高；充填率越高，采场围岩位移量和影响范围减少，顶底板形成应力恢复区，且应力卸载区逐渐缩小，采场围岩稳定性增强；随着充填体强度的增加，充填体能够更好的承载围岩，并且吸收和转移应力，围岩发生重新自组并达到新的应力平衡状态。